煤化工發展趨勢
——以煤制烯烴為例

梁 濤

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司烯烴一分公司，寧夏 銀川 750001）

引言

烯烴本身就是一種重要的化學原材料，同時這種原材料也是石油化工行業生產加工的核心產品，烯烴在化工行業具有石化工業之母的美譽。而當前，在全球石油價格跌漲起伏較大的背景條件下，乙烯的產量是衡量一個國家石油化工行業發展水平的重要標桿，同時，一個國家對于乙烯的生產能力也能夠體現出國家的整體經濟實力。

1 國內外煤化工制取烯烴產品的發展現狀

在20世紀60年代之初，美國作為世界第一大國的乙烯年產量就已經高達200多萬t，經過10年之后，美國的乙烯年產量劇增到了2 000萬t，而同年，我國的乙烯年產量僅僅60 000 t。由此可見，在20世紀，我國與西方發達國家之間經濟整體實力以及石油化工產業發展水平之間的差距。直到20世紀80年代后，我國才逐漸建立起了30萬t的乙烯項目，這也預示著我國乙烯化工行業進入了新的發展時代。我國傳統的烯烴產品主要是通過石油裂解生產的方式制取出其中的乙烯和丙烯，但是這種裂解生產的方式過分依賴于對石油資源的獲取。直到20世紀90年代，我國已經成為了石油凈進口國，在此之后，每年對于石油資源的需求量不斷增加，到2007年時，我國每年對于石油資源的需求量已經高達16 000萬t，而國內的石油資源完全無法實現有效供給，同年，我國對于進口石油的依賴程度已經高達47.2%。而在近十年的發展階段中，我國每年對于石油原料的需求量也在持續上升，這也導致我國的石油缺口量逐年增加，使得我國在發展的過程中不得不面臨著能源安全供應的問題，這一問題也制約了國民經濟的良性循環，成為了威脅社會可持續發展的重要因素。因此，研究如何從煤化工中制取乙烯和丙烯的技術成為了解決石油困境的重要途徑。

1.1 國外煤化工制取烯烴產品的發展現狀

通過甲醇制取乙烯（見圖1），這種工藝最早美孚石油公司提出的，這一想法一經提出就在世界范圍內引起了一陣熱潮，有大量的業界人士開始注重對甲醇制取乙烯工藝技術的投入和研究，這也在很大程度上推動了甲醇制取乙烯技術的工業化發展。在20世紀90年代，美國與挪威的石油公司合作開發出了甲醇制取乙烯的工藝，該工藝技術被稱為MTO技術，這項技術主要是以甲醇作為原材料，通過甲醇的裂解得到乙烯和丙烯為主的烯烴類產品。而在制作的過程中，根據甲醇原材料的差異性，可以分為天然氣制取和煤化工制取這兩種路線，這項技術中可以將低價的C6～C8重質的烯烴轉化為丙烯和乙烯。而通過甲醇制取丙烯這一想法，是由魯奇公司在2002年正式提出的，該公司在當年建立起了一套MTP裝置，該裝置通過反應器的運行，能夠實現在甲醇中制取丙烯的功能[1]。

1.2 國內煤化工制取烯烴產品的發展現狀

我國大連化物所是最早開始研究制取烯烴產品煤化工工藝的研究所。在研究的過程中發現，甲醇轉化成西汀產品的核心技術，其實就是催化劑的成分和應用性能，催化劑的化學性質和物理性能決定著甲醇制取乙烯工藝技術的發展和應用。因此，我國大連化物所開始探索新型的小孔分子篩催化劑，而這種新型小孔分子篩催化劑的應用，也是實現甲醇制取乙烯產品技術上的關鍵突破點，同時也是甲醇制取乙烯技術在未來很長一段時間內的研究方向。我國的大連化學物理研究所從20世紀80年代之初就已經開始研究甲醇制取低碳烯烴產品的新工藝，再后來又相繼開發了兩代創新型的甲醇制取低碳烯烴產品的技術，并且在1985年時正式通過了中國科學院組織在制取工藝方面的技術鑒定。直到20世紀90年代，我國的大連化學物理研究所又在全球首次創新了合成氣通過二甲醚制取低碳烯烴的新工藝方法。

合成氣通過二甲醚制取低碳烯烴工藝方法的應用具有以下幾個特征。首先，在應用過程中，主要由合成氣體制作二甲醚產品，這就打破了傳統合成氣體制作甲醇流程體系對于溫度的要求，同時，通過合成氣體直接制作二甲醚，還能夠有效地提升一氧化碳的轉化效率，在實驗中，一氧化碳的轉化率高達90%以上。這種合成器，經由甲醇制成低碳烯烴產品，相比于傳統的烯烴產品制作工藝來說能夠節省5%~8%的成本投入，同時，在操作的過程中還節省了大量的操作費用。該工藝在運用過程中主要運用了小孔磷硅鋁（SAPO-34）作為分子篩催化劑，SAPO-34分子篩合成催化劑原材料成本較為低廉，而這種成本較低的催化劑對于流化床工藝的持續發展具有重大意義。

該實驗的第二階段采用的主要是硫化反應器，該反應器能夠在實驗過程中快速導出熱量，并且能夠實現反應氣體再生的連續操作，從而有效地降低了反應器運行過程中對于資源的消耗率[2]。合成氣經由二甲醚制取低碳烯烴產品的新工藝方法在應用的過程中具有較強的靈活性，該工藝方法中包含的兩段化學反應工藝，不僅能夠將合成氣制作二甲醚以及烯烴類產品的制取聯合為一個整體，同時，這兩個反應階段還可以獨立存在。需要注意的是，該新工藝中所應用的SAPO-34分子篩催化劑（見圖2）可以直接用于制作甲醇制取烯烴的化學流程中。

之后，我國大連化學物理研究所又研制出了一款我國獨有的，并且成本，價格更為低廉的新一代微球小孔磷硅鋁分子篩型催化劑（DO123），該烯烴產品制取過程中的催化劑以及其活性分子SAPO-34分子篩，都已經在國內進行了大規模的烯烴產品制取實驗。并且在接下來幾年的發展過程中取得了突破性的進展，直到2010年，該工藝在包頭建設的工業化煤制烯烴產品項目中正式投入使用。除此之外，中國化學工程集團公司聯合清華大學以及安徽淮化集團有限公司還有合作開發了甲醇制備丙烯產品的萬噸級工業實驗裝置，該實驗裝置在2009年12月份正式投入使用并且取得了成功。這項實驗裝置的投入和應用，也為我國日后煤制烯烴品化工工藝產業化發展奠定了基礎，這項實驗裝置的成功應用，也是我國化學工藝發展歷程中的重大突破[3]。

2 我國發展煤制烯烴的外部條件

2.1 工業布局

我國國土廣袤，煤礦資源蘊含豐富。但是我國許多煤礦資源豐富的地區地處偏遠，距離經濟發達的區域路程遙遠。除此之外，通過對國家礦藏資源進行分析發現，我國煤礦資源豐富的地區普遍缺水，而在水資源豐富的地區煤礦資源不夠充足。因此，想要實現煤化工智取烯烴的工業化發展模式，就必須要針對資源的分布狀況進行合理布局。應該盡量選擇煤礦資源豐富、水資源相對充足，并且交通便利的地區作為發展煤化工制取烯烴工業的首選區域[4]。

2.2 煤化工制取烯烴工藝的能源利用效率

煤化工制取烯烴工藝的首要條件是要確保充足的煤炭資源，我國煤炭資源蘊含豐富，但是，由于近年來市場中對于煤炭資源的需求量不斷增多，一些淺層的煤炭資源已經被挖掘殆盡。現有的大多數煤炭資源儲藏區域較深，而能夠看測到的深度煤炭資源儲量卻較小。相比于其他煤炭資源大國來說，我國存在煤炭資源供給不足，并且資源利用轉化效率較低的問題。而想要推動我國煤化工制取烯烴工藝的規模化發展，就必須要確保煤炭資源的充足供應。因此，我國在未來的發展過程中，必須要進一步加大煤炭資源地質勘查的力度，并且研究更加先進的煤炭資源開采技術和設備，進一步地提升煤炭資源的供給量以及利用轉化效率[5]。

2.3 煤化工制取烯烴工藝發展面臨的環境壓力

煤化工產業的生產和發展不可避免地會產生較多的污染物質，而傳統的煤化工加工行業中，對于高污染物質硫以及酸類化學物質的排放，當前已經得到了有效地控制。除此之外，我國近年來也在不斷研究關于工業廢渣的綜合利用，并且取得了相當的應用成效[6]。但是水資源的匱乏是煤化工產業發展過程中最為關鍵的制約因素，盡管我國已經有許多大型煤化工工廠采用了先進的化工設備以及化工技術，在加工過程中，水資源的利用效率得到了持續的提升，但是煤化工行業還是會消耗大量的水資源，因此，某些水資源匱乏的地區不適應于大規模的發展煤化工產業。除此之外，化石工業的生產以及發展中不可避免地會應用到煤炭資源，不管是將煤炭資源作為燃燒材料，或是采用煤化工技術轉化烯烴產品，都不可避免地會產生大量的二氧化碳，而二氧化碳是引發溫室效應的罪魁禍首。因此，在我國煤化工行業的發展過程中對于溫室氣體的控制也應該引起重視[7]。

3 我國煤制烯烴工藝的未來發展方向

為了解決煤制烯烴工藝發展過程中伴隨的污染問題，必須加快研究開發煤炭清潔能源自有技術。近年來，我國甲醇產品的生產能力持續提升，市場中甚至已經出現了甲醇產品過剩的現象[8]。因此，我國應該加快推動甲醇制取烯烴的規模化發展，通過甲醇產品的深加工將甲醇產能過剩的優勢利用起來，同時，也能夠為甲醇產業的持續健康發展提供動力。而煤制烯烴工業的規模化發展，有賴于技術水平的支持、資金成本的支持以及人才設備的支持，這項技術的應用對于工業企業的綜合實力要求較為嚴格。但是這項技術的應用受到了水資源以及消費市場距較遠的限制，產品的運輸成本相對較高。因此，想要確保煤制烯烴的產業化發展以及規模化發展，必須要有國家資金政策的支持，通過建立一體化的煤制烯烴工藝流程，推動我國煤制烯烴工業的產業化發展[9]。

4 結語

煤制烯烴的產業化發展能夠有效地降低國家制取烯烴產品對于石油資源的依賴和消耗，有效地提升國家能源的安全性。因此，煤制烯烴工藝將會成為未來煤化工行業發展的主要方向。